（ 2009 届）
毕业设计（文）
题 目： 风力发电系统建模仿真
学 院： 嘉兴学院
专 业： 电气工程动化
班 级： 电气
学 号： ***********
姓 名： ******
指导教师： *******
教 务 处 制
年 月 日
诚 信 声 明
声明呈交文老师指导进行研究工作取研究成果查证文中特加标注致谢方外文中包含已发表撰写研究成果包含获＿＿＿＿＿＿教育机构学位证书材料承诺文中容均真实信
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授 权 声 明
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风力发电系统建模仿真
摘
篇文介绍风力发电机组基控制求控制策略定桨距风力发电机组控制系统仿真方面作初步探究研究通控制系统保持风力发电机组安全运行实现稳定机组输出功率优化功率曲线控制功利控制系统风力发电系统规定时间出障少出障出障够快速度修复系统恢复正常工作
篇文通MATLAB仿真软件建立风力发电系统控制模型完整风力发电样例系统模型建风力发电系统控制模型进行仿真分析验证风力发电系统控制模型性通单曲线绘图模拟结果进行分析利曲线绘图模块产生直接研究报告模拟结果图形
关键词：风力发电系统建模仿真
Modeling and simulation of the wind power system
ABSTRACT
This paper mainly introduced the basic control requirements and control strategy of wind generating set the fixed pitch wind turbine control system simulation has made a preliminary exploration and research Through the control system to keep the safe and reliable operation of wind turbine and realizes stable output power generating unit and the optimization of the control function of the power curve Use control system to make wind power system within the prescribed period of time is not out of order or less out of order and when failed it will repair with the quickest speed system to resume normal work
This paper mainly using the MATLAB simulation software wind power system control model is established and the complete sample wind power generation system model to build the control model for the simulation analysis to verify the usability of the wind power system control model and carries on the analysis to the simulation result through single curve drawing and use the curve plotting module generates a graphics can be directly used in the simulation results of the study
Keywords wind power generation system Modeling Simulation
目 录
摘 III
ABSTRACT IV
1 绪 1
11 风力发电系统研究背景意义 1
12 国外风力发电发展概况 2
121世界风力发电发展状况 2
122中国风力发电发展状况 2
13 文工作 4
131 课题研究容基求 4
132 研究方法步骤 5
2 风力发电系统基原理 6
21 风力发电基原理 6
22 风轮机理 7
23 水轴风力发电机结构 7
24 定浆距风力发电机组 8
25 永磁步发电机基原理 8
251 步电机基础 8
252 步电机基结构 9
253 步电机工作原理 10
3 风力发电系统建模 12
31 风速模型 12
32 风力发电机组气动性模型 15
33 传动齿轮模型 17
34 三相步发电机模型 18
35 风力发电系统整体建模 20
4 风力发电系统仿真分析 21
5 总结思考 27
参考文献 29
1 绪
11 风力发电系统研究背景意义[1][2]
工业生产进步发展带源危机环境问题目光转生源煤炭石油天然气水利核物质原料传统电力开发环境造成负担环境污染酸雨气候异常放射性废物处理石油泄露等等风力发电环境影响十分微具显著环境友特性典型清洁源
目前水利发电外种生源开发中风力发电开发具潜力发电成低技术日趋成熟形成新兴产业成电力系统结构中相增长速度快新源发电风力发电技术研究着重意义
风种污染持续发展源年风利越越受类重视风力发电作种风利形式正前未速度发展风力发电代传统源发电例正逐步升电力系统受越越受欢迎重视[3]
十年风力发电技术飞速发展越越广泛应进行风力发电系统研究传统方法发电机风轮机相连现场做实验样做成较高影响电力系统运行仿真建模技术受述条件限制投入低见效快风力发电研究领域越越广泛应极丰富风力发电研究手段[4]
着电力工业飞速发展供电需求利新源发电日益受关注风资源清洁生源风力发电新源中技术成熟具开发规模条件商业化发展前景发电方式次选题正解发电系统新趋势国家节减排计划风力发电研究产生浓厚兴趣风力发电系统流程深入学熟悉建模仿真实现方法掌握种仿真软件较应选择风力发电系统建模仿真题目
风力发电清洁污染生源具明显优势首先煤石油天然气等常规资源取竭必须考虑开发新源风资源够完美体现价值必受重视第二风力发电火力发电等常规发电方式清洁污染会产生温室气体环境污染第三风力发电运行成低规模建设提高发电效率
12 国外风力发电发展概况[4][5][6]
121世界风力发电发展状况
风力发电1890年起源丹麦1891年丹麦建成世界第座风力发电站风力发电便开始迅速发展壮起重发展阶段
第阶段：二战前着源源需求增国家陆续开始注意力集中风力发电1941年美国研制生产台1250KW谓型风力发电机组时处初级研制阶段技术复杂种风力发电机组处科研阶段法现实中投产生产
第二阶段：70年代初期世界相继爆发次源危机促进风力发电发展时丹麦研制出55630KW系列化风力发电机组
第三阶段：出现80年代西方国德国美国等国家开展节计划加国鼓励政策风电行减少税费风电行投资支持等促进风力发电发展
第四阶段：90年代着全球源环境问题加剧画报意识增强种呼声国更加注重发展风力发电科学技术进步强力推动风力发电发展前景令瞩目
风力发电机组研发生产欧洲国家丹麦德国美国等中丹麦风力发电技术发展早技术较成熟德国风力发电技术发展快发电量印度风力发电令瞩目发展中国家中发展快国家
2003年底风电累计装机容量居前五位国家次：德国 （14612MW）西班牙（6420MW）美国（6361MW）丹麦（3076MW）印度（2120MW）
未国外风力发电发展明显趋势：发展海风力发电技术知道海风资源丰富丹麦德国等北海岸国家拥丰富海风资源积极发展海风力发电二风力发电机组型化发展90年代千瓦级风力发电机组欧洲广泛推广发达国家兆瓦级风力发电产品初具规模呈稳步发展势头三风力发电设备生产制造技术断成熟提高风力发电发电效率时降低发电成应该研发工作重点放风速变化情况确保电网稳定性
122中国风力发电发展状况[3][6]
风力发电新源发电技术中发展较成熟规模较具发展前景目前发电成已常规发电方式相接中国风资源十分丰富目前国国外生产网型风机装机投产型风机位国外生产风机生产研发方面国生产风电机组功率750千瓦正积极研发兆瓦级放电设备相信久兆瓦级风电机组研发成功推广应中国风电发展取突飞猛进进步
国着丰富风资源陆开发风25亿千瓦左右海风资源10亿左右年国风力发电发展迅速装机容量屡创新高2009年国风电新增装机容量13803万千瓦增速超100增长速度快截止2010年底国风电新增容量达1600万千瓦累计装机容量达41827万千瓦
具中国风电协会统计2012年中国（包括台湾区）新增安装风电机组7872台装机容量12960MW降265累计安装风电机组
53764台装机容量753242MW增长208
20012012年中国新增累计风电装机容量
20062012年中国区域累计风电装机容量
13 文工作
学掌握风力发电机组基控制求控制策略前提定桨距风力发电机组控制系统仿真方面作初步探究研究学生学学电气系统知识动化知识电子技术计算机技术知识综合运解决工程实践问题力进行效工程训练
131 课题研究容基求[7][8][9]
通MATLAB仿真软件建立风力发电系统控制模型完整风力发电样例系统模型建风力发电系统控制模型进行仿真分析验证风力发电系统控制模型性通单曲线绘图模拟结果进行分析利曲线绘图模块产生直接研究报告模拟结果图形便通控制系统保持风力发电机组安全运行实现稳定机组输出功率优化功率曲线控制功
1．风力发电系统基原理
a)解风力发电基原理前发展应情况
b) 风力发电机结构组成等
2．风力发电控制系统模型建立
a) 结合控制系统工作原理风力发电系统控制策略
b) 利软件建模
c) 仿真特例举例
132 研究方法步骤
设计学校现5KW风力发电机原形进行建模仿真具体方法步骤：
第步：量查阅国外风力发电相关资料解风力发电技术发展趋势新动态
第二步：确定风力发电机组数学模型风速模型风力发电机气动性模型传动系统动力学模型感应电机模型
第三步：学MATLAB方法研究MATLAB仿真建模相关理建模仿真
第四步：利MATLAB仿真软件搭建仿真模块准备仿真
第五步：风力模型进行仿真分析仿真结果
2 风力发电系统基原理
21 风力发电基原理[10][11]
风力发电原理利风带动风车叶片转动风转化机械然机械带动风力发电机发电
图21风力发电原理图
风力发电机包含三部分∶风轮机舱塔杆型电网接驳风力发电机常见结构横轴式三叶片风轮安装直立状塔杆
风轮叶片复合材料制造型风力发电机型风电机风轮转动相慢较简单 风力发电机采固定速度通常采两速度弱风低速强风 高速定速风电机感应式异步发电机够直接发产生电网频率交流电
较新型设计般变速（Vestas公司V52850千瓦风电机转速分钟14 转分钟314 转）利变速操作风轮空气动力效率改善提取更 量弱风情况噪音更低变速风电机设计起定速风电机越越受 欢迎
机舱安装感测器探测风透转机械装置令机舱风轮动转面风风轮 旋转运动通齿轮变速箱传送机舱发电机（果没齿轮变速箱直接传送发 电机）风电工业中配变速箱风力发电机普遍风电机设计极直接驱动式发电机显著发展
设塔底变压器（者设於机舱）提升发电机电压配电网电压（香港情 况11千伏）
风力发电机功率输出着风力变强风常见两种限制功率输出方法（限制风轮承受压力） 失速调节斜角调节 失速调节风电机超额定 风速强风会导致通叶片气流产生扰流令风轮失速风力强时叶片尾部制动装 置会动作令风轮剎车斜角调节风电机片叶片够轴旋转叶片角 度着风速转变改变风轮空气动力性风力强时叶片转动迎气边 缘面风令风轮剎车
22 风轮机理
风轮风动转变机械重部件两(更)螺旋桨形叶轮组成风吹浆叶时桨叶产生气动力驱动风轮转动
风轮机称风车种风转换成机械电热量转换装置风轮机类型通常分水轴风轮机垂直轴风轮机特殊风轮机三类应广前两种类型风轮机
23 水轴风力发电机结构[11][12]
风力发电机组风轮传动系统偏航系统液压系统制动系统发电机控制安全系统机舱塔架基础等组成该机组通风力推动叶轮旋转通传动系统增速达发电机转速驱动发电机发电效风转化成电风力发电机组结构示意图图22
1叶片 2变浆轴承 3轴 4机舱吊 5齿轮箱 6高速轴制动器 7发电机
8轴流风机 9机座 10滑环 11偏航轴承 12偏航驱动 13轮毂系统
图22 风力发电机组结构示意图
24 定浆距风力发电机组[1][14]
风力机功率调节完全叶片气动性称定浆距风力发电机组定桨距风力发电机组结构特点：桨叶轮毂连接固定风速变化时桨叶迎风角度变化风力机获功率风速停变化发电机发电机工作步转速附风电机组般工作额定风速时风轮机转换效率Cp佳区段风速超额定风速时确保发电机输出功率恒定 必须通叶片失速降低Cp维持功率恒定定浆距发电系统发电机正常工作滑差1允许滑差范围般5风速变化范围图23风轮机典型Cp~λ特性曲线
图23 ~关系曲线
图关系功率发电机工作高风速区段功率发电机工作低风速区段通种方法调整叶尖速λ实现机组Cp工作定浆距风力发电机组浆距角β设定0度
25 永磁步发电机基原理[13]
251 步电机基础
步电机种交流电机步电机特点稳定运行时转速n定子电流频率着严格变关系
式中 ———步转速
命名步电机异步电动机中存种关系稳定运行时转速n定子电流频率必须
异步运行
种机理差异两者转子中电流中性质导致异步电机稳态运行时转子转速n转子电流频率转差率转子转速定子旋转磁场转速相等转子电流频率意味着转子绕组电流直流电流果改变异步电机转子结构成直流电流励磁转动电磁铁样交流电机便步电机
步电机作发电机运行作电动机运行作发电机运行目前全世界发电量全部步发电机发出步电动机静止变频电源未开发前功率数调节优点转速调节途受限制着电力电子技术突飞猛进发展静止变频装置整流装置应运生步电机便开生面特新型永磁材料问世步电机采永磁材料励磁简化结构充分发挥功率数高高效节优势便日益扩应场合成控制系统中颗新星
252 步电机基结构
步电机静止定子转动转子两基部分组成
（） 定子
步电机定子结构部件异步电机样起着输入输出电功率产生旋转磁场作结构形式异步电机区导磁定子铁心导电三相绕组固定铁心机座端盖等部件组成
（二） 转子
步电机转子两种结构形式种明显磁极称凸极式图示种转子圆柱体表面开着槽明显磁极称隐极式图24示步发电机转子制成凸极式隐极式步电动机转子般制成凸极式凸极式步电动机磁极铁心直流电机样钢板成片叠压成磁极套励磁绕组固定磁轭目前型凸极式步发电机中出现整体机构转子钢板成极身极靴磁轭连成整体片叠压起然缠绕励磁绕组励磁绕组绝缘铜线绕成极身间绝缘磁极励磁绕组间联接必须注意通励磁电流相邻磁极极性呈NS交排列励磁绕组两出现端接两集电环通集电环相接触静止电刷外引出外极靴装笼型绕组种笼型绕组称阻尼绕组步电机非步转速运行时起着阻尼作整转子磁极磁轭励磁绕组转子支架（型步电机）轴集电环等部件组成
（a）凸极式 b）隐极式
1定子2凸极转子3隐极转子 4集电环
图24 旋转磁极式步电机结构示意图
253 步电机工作原理
步电机工作原理基电磁感应定律步发电机直流电流励磁转子原动机拖动步转速时定子静止开路三相绕组（称电枢绕组）旋转转子磁极空隙中建立旋转磁场相运动定子绕组磁链发生变化根电磁感应定律定子绕组感应产生感应电动势（称励磁电动势）见图 25改变励磁电流相应改变励磁电动势时步电机作发电机运行呈空载状态步转速励磁电动势励磁电流关系称发电机空载特性意义性质测取方法直流发电机样
步电机空载运行时端电压定子绕组接称负载步发电机处负载运行状态时原动机发电机输入机械功率发电机定子绕组输出电功率行机电量转换三相步发电机工作原理
（a）步发电机示意图 （b）三相电动势量图
图25 步发电机工作原理示意图
步电机类型电机样遵循逆原理发电机方式运行电动机方式运行原动机拖动步电机励磁时电机原动机输入机械功率电网输出电功率发电机运行方式步电机接入电网励磁拖动机械负载时电网输入电功率轴输出机械功率电动机运行方式
3 风力发电系统建模[15][16][17][18]
31 风速模型
风速具机性间歇性特点里风速模型采四分量叠加法风速模型 ：包括：基风阵风渐变风风[15]
（1）基风：基风风电场测量威布尔分布参数似确定
（31）
尺度参数A形状参数k根风电场实测数估算
实际仿真时似认时间变化分量取常数
图31 基风风速变化曲线
模块constant模块基风速设置3ms
（2）阵风：描述风速突然变化特性通常分析风电系统电网电压波动影响
（32）
式中阵风风速单位ms阵风峰值单位msT1阵风开始时间单位s阵风周期单位st时间单位s
阵风风速时间变化曲线图32
图32 阵风风速时间变化曲线
阵风模型图33示
图33 阵风模型
参数设置：设置6msT1设置003s设置005s
（3）渐变风： 描述风速渐变特性
（33）
式中渐变风风速单位ms渐变风峰值单位msT渐变风持续时间单位sTr1渐变风启动时间单位sTr2渐变风结束时间单位s
渐变风时间变化曲线图34示
图34 渐变风时间变化曲线
渐变风风速模型图35示
图35 渐变风风速模型
参数设置：设置6msTr1设置004sTr2设置004s
（4） 机风：描述特定高度风速变化机特性
（34）
式中机风风速单位ms机风值单位ms11间均匀分布机变量风速波动均距离单位rads间服均匀概率分布机量 模型MATLAB
Random number 模型：
风速综合模型图36示
图36 风速综合模型
32 风力发电机组气动性模型
台风轮半径R风轮机风速v时产生机械功率：
（35）
中λ叶尖速 表达式：
机械转矩：
（36）
式中ρ空气密度通常情况20摄氏度时取1205kgm3v通风力机叶片风速叶片旋转角速度现代定速风电机组风机转速15~20rmin文中取20rminCp（βλ）风轮机功率系数Cp叶尖速λ叶片浆距角β关关系式[1]：
（37）
式中Cf叶片设计常数文中取值3r取12
根βλ取值Cp曲线图示图中出某确定浆距角βCp极值存说风力机运行时保证风速产生功率输出Cp理值0593著名Betz极限
图37 ~关系曲线
Cp模型图38示：
图38 Cp仿真模型
风力机仿真模型图39示：
图39 风力机仿真模型
33 传动齿轮模型
风力发电传动系统作原动部分运动转变执行部分需机械动作风通风力机产生气动转矩变发电机侧机械转矩传动系统量传输纽带时传动系统运动取决驱动力阻力特性
风轮机传动齿轮示意图图310示忽略转轴倔强系数阻尼数通力学分析知风力机转轴发电机转子间机械传动部分数学方程：
（38）
（39）
分风机转动惯量机械转速分传动齿轮低速轴高速轴机械转矩齿轮箱变
图310 风轮机传动齿轮示意图
传功齿轮模型图311示：
图311 传动齿轮模型
34 三相步发电机模型
传动模型
气动转矩Ta电机电磁转矩Te变化时风力发电机风轮机转子加速减速运行直驱型永磁步发电机假定转子电机间刚性连接传动模型式（310）表示
（310）
式中：传动损失转动粘滞系数机组等效转动惯量文中研究直驱型永磁步发电机组转动惯量式（311）
（311）
式中分风轮机电机转动惯量
感应电机模型
系统中采永磁步发电机分析永磁步发电机动态性基旋转坐标轴建立起数学模型：
（312）
式中：分发电机d轴q轴电流分发电机d轴q轴电感分电压源d轴q轴分量R定子电阻转子机械角速度发电机转子极数永磁体磁链
PMSM电磁转矩表达式：
（313）
两模型集成PMSM模块中
永磁步发电机模型图312示：
图312 永磁步发电机
风轮机产生轴机械转矩定子三相电流转子角速度电磁转矩
35 风力发电系统整体建模
建立子模块封装预先设计方案行连接搭建整建风力发电系统Simulink搭建系统仿真模块图313示
图313 风电系统仿真模型
风力机设计额定风速95ms永磁步电动机失速转矩175N·m额定转速3000rmin影响仿真效果情况系统仿真时间设置01秒
4 风力发电系统仿真分析
效仿真系统部分特性模型中设置基风速3ms阵风峰值6ms渐变风值6ms机风值分25ms0ms风速仿真效果图
图41 基风风速图
图42 风风速图
图43 渐变风风速图
图44 阵风风速图
图45 综合风速图
图41基风风速仿真图基风风速3ms图42 风风速仿真图考虑风电机会风改变风速0ms风速25ms图43渐变风风速仿真图004s~006s作保持002s醉倒风速6ms图44典型阵风风速仿真图该阵风0025s~008s作风速6ms图45前面四种风速叠加仿真图
（a）风速变化
（b） 风力机输出机械功率
（c）齿轮箱高速轴输出转矩
（d）三相输出电流
（e） 发电机转子角速度变化曲线
（f）发电机电磁功率变化曲线
图46 综合风速影响风电机组单数变化曲线
综合风速影响风力机带动永磁步发电机旋转发电发电机参数风速变化曲线图46图（a）风速综合仿真图风力机额定风速95ms风速达值保持图（b）（c）分风力机输出功率变化曲线齿轮箱高速轴输出转矩功率转矩间例关系曲线形状致相图（d）发电机三相输出电流曲线图（e）（f）分发电机转子角速度发电机电磁转曲线注意004s前风速变化较转子角速度电磁转矩变化较004s风速变化较转子角速度电磁转矩风速变化明显
图短时间风速变化较情况做仿真中发电机风速变化情况转子转速电磁转矩细节变化未清楚观察设置特定风速假设风速1s时刻6ms发生阶跃变化9ms时风电机组中机械量电气量变化曲线图47示
（a） 风速阶跃变化
（b）风力机输出功率
（c）齿轮箱高速轴输出转矩
（d）发电机三相输出电流
（e）转子角速度变换曲线
（f）发电机电磁转矩
图47 阶跃风速变化风电机组参数变化曲线
图48 ~关系曲线
图8浆距角β0时功率系数叶尖速仿真曲线图中6时达值043
5 总结思考
文先风力发电研究背景意义作说明现世界源问题日益突出作清洁源研究风力发电意义重然国外风力发电发展状况作阐述国外风衣发电起步早技术成熟规模国风力发电然起步晚发展迅速发展前景第三部分风力发电机原理作说明风力发电机种类繁里永磁步发电机原理结构作介绍部分文核心部分利MATLAB软件风力发电系统进行建模然整体仿真系列仿真曲线通分析曲线基够反应出实际系统运行情况文进行建模仿真时候方作简化现说明：风速时候然风轮转动实际发电机没发电里风力机作定速风机讨里风力发电机定浆距风力发电机规定某浆距角着外界风速变化改变传动系统建模时没考虑量损失耗量传递
风力发电资源丰富技术成熟性高成低效益显著新型源中发展较快文通MATLAB仿真软件建立风力发电系统控制模型完整风力发电样例系统模型建风力发电系统控制模型进行仿真分析验证风力发电系统控制模型性通单曲线绘图模拟结果进行分析仿真图形分析够基反映风力发电机运行情况
风力发电系统控制策略风速变化风利效率目优化风力发电系统运行特性提出控制方案变桨距控制系统设计采PI控制器根发电机功功率输出风轮机转速反馈调节桨叶节距
通风轮机桨距角控制系统叶片桨距角进行控制风力发电机组机械部分发电机电气部分配合达提高风利效率改善供电质量目利风力发电样例系统验证控制系统性种仿真曲线进行分析出结
根风速模型仿真曲线分析风轮机发电机部分曲线变化情况整系统仿真曲线图网前电压波形基正弦形状转速基稳定网然受电网干扰转速升额定转速没变化电流波形然正弦整体趋发生相应波动变桨距控制系统风力发电机组起动时通变距获足够起动转矩起动低额定风速运行时机组状态控制转速高额定风速运行时通调整桨叶节距改变气流叶片攻角改变风力发电机组获空气动力转矩功率输出保持稳定额定风速机组状态控制桨距角调节实现控制系统保持风力发电机组运行安全性
参考文献
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风力发电系统建模仿真
摘
篇文介绍风力发电机组基控制求控制策略定桨距风力发电机组控制系统仿真方面作初步探究研究通控制系统保持风力发电机组安全运行实现稳定机组输出功率优化功率曲线控制功利控制系统风力发电系统规定时间出障少出障出障够快速度修复系统恢复正常工作
篇文通MATLAB仿真软件建立风力发电系统控制模型完整风力发电样例系统模型建风力发电系统控制模型进行仿真分析验证风力发电系统控制模型性通单曲线绘图模拟结果进行分析利曲线绘图模块产生直接研究报告模拟结果图形
关键词：风力发电系统建模仿真
Modeling and simulation of the wind power system
ABSTRACT
This paper mainly introduced the basic control requirements and control strategy of wind generating set the fixed pitch wind turbine control system simulation has made a preliminary exploration and research Through the control system to keep the safe and reliable operation of wind turbine and realizes stable output power generating unit and the optimization of the control function of the power curve Use control system to make wind power system within the prescribed period of time is not out of order or less out of order and when failed it will repair with the quickest speed system to resume normal work
This paper mainly using the MATLAB simulation software wind power system control model is established and the complete sample wind power generation system model to build the control model for the simulation analysis to verify the usability of the wind power system control model and carries on the analysis to the simulation result through single curve drawing and use the curve plotting module generates a graphics can be directly used in the simulation results of the study
Keywords wind power generation system Modeling Simulation
目 录
摘 III
ABSTRACT IV
1 绪 1
11 风力发电系统研究背景意义 1
12 国外风力发电发展概况 2
121世界风力发电发展状况 2
122中国风力发电发展状况 2
13 文工作 4
131 课题研究容基求 4
132 研究方法步骤 5
2 风力发电系统基原理 6
21 风力发电基原理 6
22 风轮机理 7
23 水轴风力发电机结构 7
24 定浆距风力发电机组 8
25 永磁步发电机基原理 8
251 步电机基础 8
252 步电机基结构 9
253 步电机工作原理 10
3 风力发电系统建模 12
31 风速模型 12
32 风力发电机组气动性模型 15
33 传动齿轮模型 17
34 三相步发电机模型 18
35 风力发电系统整体建模 20
4 风力发电系统仿真分析 21
5 总结思考 27
参考文献 29
1 绪
11 风力发电系统研究背景意义[1][2]
工业生产进步发展带源危机环境问题目光转生源煤炭石油天然气水利核物质原料传统电力开发环境造成负担环境污染酸雨气候异常放射性废物处理石油泄露等等风力发电环境影响十分微具显著环境友特性典型清洁源
目前水利发电外种生源开发中风力发电开发具潜力发电成低技术日趋成熟形成新兴产业成电力系统结构中相增长速度快新源发电风力发电技术研究着重意义
风种污染持续发展源年风利越越受类重视风力发电作种风利形式正前未速度发展风力发电代传统源发电例正逐步升电力系统受越越受欢迎重视[3]
十年风力发电技术飞速发展越越广泛应进行风力发电系统研究传统方法发电机风轮机相连现场做实验样做成较高影响电力系统运行仿真建模技术受述条件限制投入低见效快风力发电研究领域越越广泛应极丰富风力发电研究手段[4]
着电力工业飞速发展供电需求利新源发电日益受关注风资源清洁生源风力发电新源中技术成熟具开发规模条件商业化发展前景发电方式次选题正解发电系统新趋势国家节减排计划风力发电研究产生浓厚兴趣风力发电系统流程深入学熟悉建模仿真实现方法掌握种仿真软件较应选择风力发电系统建模仿真题目
风力发电清洁污染生源具明显优势首先煤石油天然气等常规资源取竭必须考虑开发新源风资源够完美体现价值必受重视第二风力发电火力发电等常规发电方式清洁污染会产生温室气体环境污染第三风力发电运行成低规模建设提高发电效率
12 国外风力发电发展概况[4][5][6]
121世界风力发电发展状况
风力发电1890年起源丹麦1891年丹麦建成世界第座风力发电站风力发电便开始迅速发展壮起重发展阶段
第阶段：二战前着源源需求增国家陆续开始注意力集中风力发电1941年美国研制生产台1250KW谓型风力发电机组时处初级研制阶段技术复杂种风力发电机组处科研阶段法现实中投产生产
第二阶段：70年代初期世界相继爆发次源危机促进风力发电发展时丹麦研制出55630KW系列化风力发电机组
第三阶段：出现80年代西方国德国美国等国家开展节计划加国鼓励政策风电行减少税费风电行投资支持等促进风力发电发展
第四阶段：90年代着全球源环境问题加剧画报意识增强种呼声国更加注重发展风力发电科学技术进步强力推动风力发电发展前景令瞩目
风力发电机组研发生产欧洲国家丹麦德国美国等中丹麦风力发电技术发展早技术较成熟德国风力发电技术发展快发电量印度风力发电令瞩目发展中国家中发展快国家
2003年底风电累计装机容量居前五位国家次：德国 （14612MW）西班牙（6420MW）美国（6361MW）丹麦（3076MW）印度（2120MW）
未国外风力发电发展明显趋势：发展海风力发电技术知道海风资源丰富丹麦德国等北海岸国家拥丰富海风资源积极发展海风力发电二风力发电机组型化发展90年代千瓦级风力发电机组欧洲广泛推广发达国家兆瓦级风力发电产品初具规模呈稳步发展势头三风力发电设备生产制造技术断成熟提高风力发电发电效率时降低发电成应该研发工作重点放风速变化情况确保电网稳定性
122中国风力发电发展状况[3][6]
风力发电新源发电技术中发展较成熟规模较具发展前景目前发电成已常规发电方式相接中国风资源十分丰富目前国国外生产网型风机装机投产型风机位国外生产风机生产研发方面国生产风电机组功率750千瓦正积极研发兆瓦级放电设备相信久兆瓦级风电机组研发成功推广应中国风电发展取突飞猛进进步
国着丰富风资源陆开发风25亿千瓦左右海风资源10亿左右年国风力发电发展迅速装机容量屡创新高2009年国风电新增装机容量13803万千瓦增速超100增长速度快截止2010年底国风电新增容量达1600万千瓦累计装机容量达41827万千瓦
具中国风电协会统计2012年中国（包括台湾区）新增安装风电机组7872台装机容量12960MW降265累计安装风电机组
53764台装机容量753242MW增长208
20012012年中国新增累计风电装机容量
20062012年中国区域累计风电装机容量
13 文工作
学掌握风力发电机组基控制求控制策略前提定桨距风力发电机组控制系统仿真方面作初步探究研究学生学学电气系统知识动化知识电子技术计算机技术知识综合运解决工程实践问题力进行效工程训练
131 课题研究容基求[7][8][9]
通MATLAB仿真软件建立风力发电系统控制模型完整风力发电样例系统模型建风力发电系统控制模型进行仿真分析验证风力发电系统控制模型性通单曲线绘图模拟结果进行分析利曲线绘图模块产生直接研究报告模拟结果图形便通控制系统保持风力发电机组安全运行实现稳定机组输出功率优化功率曲线控制功
1．风力发电系统基原理
a)解风力发电基原理前发展应情况
b) 风力发电机结构组成等
2．风力发电控制系统模型建立
a) 结合控制系统工作原理风力发电系统控制策略
b) 利软件建模
c) 仿真特例举例
132 研究方法步骤
设计学校现5KW风力发电机原形进行建模仿真具体方法步骤：
第步：量查阅国外风力发电相关资料解风力发电技术发展趋势新动态
第二步：确定风力发电机组数学模型风速模型风力发电机气动性模型传动系统动力学模型感应电机模型
第三步：学MATLAB方法研究MATLAB仿真建模相关理建模仿真
第四步：利MATLAB仿真软件搭建仿真模块准备仿真
第五步：风力模型进行仿真分析仿真结果
2 风力发电系统基原理
21 风力发电基原理[10][11]
风力发电原理利风带动风车叶片转动风转化机械然机械带动风力发电机发电
图21风力发电原理图
风力发电机包含三部分∶风轮机舱塔杆型电网接驳风力发电机常见结构横轴式三叶片风轮安装直立状塔杆
风轮叶片复合材料制造型风力发电机型风电机风轮转动相慢较简单 风力发电机采固定速度通常采两速度弱风低速强风 高速定速风电机感应式异步发电机够直接发产生电网频率交流电
较新型设计般变速（Vestas公司V52850千瓦风电机转速分钟14 转分钟314 转）利变速操作风轮空气动力效率改善提取更 量弱风情况噪音更低变速风电机设计起定速风电机越越受 欢迎
机舱安装感测器探测风透转机械装置令机舱风轮动转面风风轮 旋转运动通齿轮变速箱传送机舱发电机（果没齿轮变速箱直接传送发 电机）风电工业中配变速箱风力发电机普遍风电机设计极直接驱动式发电机显著发展
设塔底变压器（者设於机舱）提升发电机电压配电网电压（香港情 况11千伏）
风力发电机功率输出着风力变强风常见两种限制功率输出方法（限制风轮承受压力） 失速调节斜角调节 失速调节风电机超额定 风速强风会导致通叶片气流产生扰流令风轮失速风力强时叶片尾部制动装 置会动作令风轮剎车斜角调节风电机片叶片够轴旋转叶片角 度着风速转变改变风轮空气动力性风力强时叶片转动迎气边 缘面风令风轮剎车
22 风轮机理
风轮风动转变机械重部件两(更)螺旋桨形叶轮组成风吹浆叶时桨叶产生气动力驱动风轮转动
风轮机称风车种风转换成机械电热量转换装置风轮机类型通常分水轴风轮机垂直轴风轮机特殊风轮机三类应广前两种类型风轮机
23 水轴风力发电机结构[11][12]
风力发电机组风轮传动系统偏航系统液压系统制动系统发电机控制安全系统机舱塔架基础等组成该机组通风力推动叶轮旋转通传动系统增速达发电机转速驱动发电机发电效风转化成电风力发电机组结构示意图图22
1叶片 2变浆轴承 3轴 4机舱吊 5齿轮箱 6高速轴制动器 7发电机
8轴流风机 9机座 10滑环 11偏航轴承 12偏航驱动 13轮毂系统
图22 风力发电机组结构示意图
24 定浆距风力发电机组[1][14]
风力机功率调节完全叶片气动性称定浆距风力发电机组定桨距风力发电机组结构特点：桨叶轮毂连接固定风速变化时桨叶迎风角度变化风力机获功率风速停变化发电机发电机工作步转速附风电机组般工作额定风速时风轮机转换效率Cp佳区段风速超额定风速时确保发电机输出功率恒定 必须通叶片失速降低Cp维持功率恒定定浆距发电系统发电机正常工作滑差1允许滑差范围般5风速变化范围图23风轮机典型Cp~λ特性曲线
图23 ~关系曲线
图关系功率发电机工作高风速区段功率发电机工作低风速区段通种方法调整叶尖速λ实现机组Cp工作定浆距风力发电机组浆距角β设定0度
25 永磁步发电机基原理[13]
251 步电机基础
步电机种交流电机步电机特点稳定运行时转速n定子电流频率着严格变关系
式中 ———步转速
命名步电机异步电动机中存种关系稳定运行时转速n定子电流频率必须
异步运行
种机理差异两者转子中电流中性质导致异步电机稳态运行时转子转速n转子电流频率转差率转子转速定子旋转磁场转速相等转子电流频率意味着转子绕组电流直流电流果改变异步电机转子结构成直流电流励磁转动电磁铁样交流电机便步电机
步电机作发电机运行作电动机运行作发电机运行目前全世界发电量全部步发电机发出步电动机静止变频电源未开发前功率数调节优点转速调节途受限制着电力电子技术突飞猛进发展静止变频装置整流装置应运生步电机便开生面特新型永磁材料问世步电机采永磁材料励磁简化结构充分发挥功率数高高效节优势便日益扩应场合成控制系统中颗新星
252 步电机基结构
步电机静止定子转动转子两基部分组成
（） 定子
步电机定子结构部件异步电机样起着输入输出电功率产生旋转磁场作结构形式异步电机区导磁定子铁心导电三相绕组固定铁心机座端盖等部件组成
（二） 转子
步电机转子两种结构形式种明显磁极称凸极式图示种转子圆柱体表面开着槽明显磁极称隐极式图24示步发电机转子制成凸极式隐极式步电动机转子般制成凸极式凸极式步电动机磁极铁心直流电机样钢板成片叠压成磁极套励磁绕组固定磁轭目前型凸极式步发电机中出现整体机构转子钢板成极身极靴磁轭连成整体片叠压起然缠绕励磁绕组励磁绕组绝缘铜线绕成极身间绝缘磁极励磁绕组间联接必须注意通励磁电流相邻磁极极性呈NS交排列励磁绕组两出现端接两集电环通集电环相接触静止电刷外引出外极靴装笼型绕组种笼型绕组称阻尼绕组步电机非步转速运行时起着阻尼作整转子磁极磁轭励磁绕组转子支架（型步电机）轴集电环等部件组成
（a）凸极式 b）隐极式
1定子2凸极转子3隐极转子 4集电环
图24 旋转磁极式步电机结构示意图
253 步电机工作原理
步电机工作原理基电磁感应定律步发电机直流电流励磁转子原动机拖动步转速时定子静止开路三相绕组（称电枢绕组）旋转转子磁极空隙中建立旋转磁场相运动定子绕组磁链发生变化根电磁感应定律定子绕组感应产生感应电动势（称励磁电动势）见图 25改变励磁电流相应改变励磁电动势时步电机作发电机运行呈空载状态步转速励磁电动势励磁电流关系称发电机空载特性意义性质测取方法直流发电机样
步电机空载运行时端电压定子绕组接称负载步发电机处负载运行状态时原动机发电机输入机械功率发电机定子绕组输出电功率行机电量转换三相步发电机工作原理
（a）步发电机示意图 （b）三相电动势量图
图25 步发电机工作原理示意图
步电机类型电机样遵循逆原理发电机方式运行电动机方式运行原动机拖动步电机励磁时电机原动机输入机械功率电网输出电功率发电机运行方式步电机接入电网励磁拖动机械负载时电网输入电功率轴输出机械功率电动机运行方式
3 风力发电系统建模[15][16][17][18]
31 风速模型
风速具机性间歇性特点里风速模型采四分量叠加法风速模型 ：包括：基风阵风渐变风风[15]
（1）基风：基风风电场测量威布尔分布参数似确定
（31）
尺度参数A形状参数k根风电场实测数估算
实际仿真时似认时间变化分量取常数
图31 基风风速变化曲线
模块constant模块基风速设置3ms
（2）阵风：描述风速突然变化特性通常分析风电系统电网电压波动影响
（32）
式中阵风风速单位ms阵风峰值单位msT1阵风开始时间单位s阵风周期单位st时间单位s
阵风风速时间变化曲线图32
图32 阵风风速时间变化曲线
阵风模型图33示
图33 阵风模型
参数设置：设置6msT1设置003s设置005s
（3）渐变风： 描述风速渐变特性
（33）
式中渐变风风速单位ms渐变风峰值单位msT渐变风持续时间单位sTr1渐变风启动时间单位sTr2渐变风结束时间单位s
渐变风时间变化曲线图34示
图34 渐变风时间变化曲线
渐变风风速模型图35示
图35 渐变风风速模型
参数设置：设置6msTr1设置004sTr2设置004s
（4） 机风：描述特定高度风速变化机特性
（34）
式中机风风速单位ms机风值单位ms11间均匀分布机变量风速波动均距离单位rads间服均匀概率分布机量 模型MATLAB
Random number 模型：
风速综合模型图36示
图36 风速综合模型
32 风力发电机组气动性模型
台风轮半径R风轮机风速v时产生机械功率：
（35）
中λ叶尖速 表达式：
机械转矩：
（36）
式中ρ空气密度通常情况20摄氏度时取1205kgm3v通风力机叶片风速叶片旋转角速度现代定速风电机组风机转速15~20rmin文中取20rminCp（βλ）风轮机功率系数Cp叶尖速λ叶片浆距角β关关系式[1]：
（37）
式中Cf叶片设计常数文中取值3r取12
根βλ取值Cp曲线图示图中出某确定浆距角βCp极值存说风力机运行时保证风速产生功率输出Cp理值0593著名Betz极限
图37 ~关系曲线
Cp模型图38示：
图38 Cp仿真模型
风力机仿真模型图39示：
图39 风力机仿真模型
33 传动齿轮模型
风力发电传动系统作原动部分运动转变执行部分需机械动作风通风力机产生气动转矩变发电机侧机械转矩传动系统量传输纽带时传动系统运动取决驱动力阻力特性
风轮机传动齿轮示意图图310示忽略转轴倔强系数阻尼数通力学分析知风力机转轴发电机转子间机械传动部分数学方程：
（38）
（39）
分风机转动惯量机械转速分传动齿轮低速轴高速轴机械转矩齿轮箱变
图310 风轮机传动齿轮示意图
传功齿轮模型图311示：
图311 传动齿轮模型
34 三相步发电机模型
传动模型
气动转矩Ta电机电磁转矩Te变化时风力发电机风轮机转子加速减速运行直驱型永磁步发电机假定转子电机间刚性连接传动模型式（310）表示
（310）
式中：传动损失转动粘滞系数机组等效转动惯量文中研究直驱型永磁步发电机组转动惯量式（311）
（311）
式中分风轮机电机转动惯量
感应电机模型
系统中采永磁步发电机分析永磁步发电机动态性基旋转坐标轴建立起数学模型：
（312）
式中：分发电机d轴q轴电流分发电机d轴q轴电感分电压源d轴q轴分量R定子电阻转子机械角速度发电机转子极数永磁体磁链
PMSM电磁转矩表达式：
（313）
两模型集成PMSM模块中
永磁步发电机模型图312示：
图312 永磁步发电机
风轮机产生轴机械转矩定子三相电流转子角速度电磁转矩
35 风力发电系统整体建模
建立子模块封装预先设计方案行连接搭建整建风力发电系统Simulink搭建系统仿真模块图313示
图313 风电系统仿真模型
风力机设计额定风速95ms永磁步电动机失速转矩175N·m额定转速3000rmin影响仿真效果情况系统仿真时间设置01秒
4 风力发电系统仿真分析
效仿真系统部分特性模型中设置基风速3ms阵风峰值6ms渐变风值6ms机风值分25ms0ms风速仿真效果图
图41 基风风速图
图42 风风速图
图43 渐变风风速图
图44 阵风风速图
图45 综合风速图
图41基风风速仿真图基风风速3ms图42 风风速仿真图考虑风电机会风改变风速0ms风速25ms图43渐变风风速仿真图004s~006s作保持002s醉倒风速6ms图44典型阵风风速仿真图该阵风0025s~008s作风速6ms图45前面四种风速叠加仿真图
（a）风速变化
（b） 风力机输出机械功率
（c）齿轮箱高速轴输出转矩
（d）三相输出电流
（e） 发电机转子角速度变化曲线
（f）发电机电磁功率变化曲线
图46 综合风速影响风电机组单数变化曲线
综合风速影响风力机带动永磁步发电机旋转发电发电机参数风速变化曲线图46图（a）风速综合仿真图风力机额定风速95ms风速达值保持图（b）（c）分风力机输出功率变化曲线齿轮箱高速轴输出转矩功率转矩间例关系曲线形状致相图（d）发电机三相输出电流曲线图（e）（f）分发电机转子角速度发电机电磁转曲线注意004s前风速变化较转子角速度电磁转矩变化较004s风速变化较转子角速度电磁转矩风速变化明显
图短时间风速变化较情况做仿真中发电机风速变化情况转子转速电磁转矩细节变化未清楚观察设置特定风速假设风速1s时刻6ms发生阶跃变化9ms时风电机组中机械量电气量变化曲线图47示
（a） 风速阶跃变化
（b）风力机输出功率
（c）齿轮箱高速轴输出转矩
（d）发电机三相输出电流
（e）转子角速度变换曲线
（f）发电机电磁转矩
图47 阶跃风速变化风电机组参数变化曲线
图48 ~关系曲线
图8浆距角β0时功率系数叶尖速仿真曲线图中6时达值043
5 总结思考
文先风力发电研究背景意义作说明现世界源问题日益突出作清洁源研究风力发电意义重然国外风力发电发展状况作阐述国外风衣发电起步早技术成熟规模国风力发电然起步晚发展迅速发展前景第三部分风力发电机原理作说明风力发电机种类繁里永磁步发电机原理结构作介绍部分文核心部分利MATLAB软件风力发电系统进行建模然整体仿真系列仿真曲线通分析曲线基够反应出实际系统运行情况文进行建模仿真时候方作简化现说明：风速时候然风轮转动实际发电机没发电里风力机作定速风机讨里风力发电机定浆距风力发电机规定某浆距角着外界风速变化改变传动系统建模时没考虑量损失耗量传递
风力发电资源丰富技术成熟性高成低效益显著新型源中发展较快文通MATLAB仿真软件建立风力发电系统控制模型完整风力发电样例系统模型建风力发电系统控制模型进行仿真分析验证风力发电系统控制模型性通单曲线绘图模拟结果进行分析仿真图形分析够基反映风力发电机运行情况
风力发电系统控制策略风速变化风利效率目优化风力发电系统运行特性提出控制方案变桨距控制系统设计采PI控制器根发电机功功率输出风轮机转速反馈调节桨叶节距
通风轮机桨距角控制系统叶片桨距角进行控制风力发电机组机械部分发电机电气部分配合达提高风利效率改善供电质量目利风力发电样例系统验证控制系统性种仿真曲线进行分析出结
根风速模型仿真曲线分析风轮机发电机部分曲线变化情况整系统仿真曲线图网前电压波形基正弦形状转速基稳定网然受电网干扰转速升额定转速没变化电流波形然正弦整体趋发生相应波动变桨距控制系统风力发电机组起动时通变距获足够起动转矩起动低额定风速运行时机组状态控制转速高额定风速运行时通调整桨叶节距改变气流叶片攻角改变风力发电机组获空气动力转矩功率输出保持稳定额定风速机组状态控制桨距角调节实现控制系统保持风力发电机组运行安全性
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